師小波 李浩宇 陳慧寧 王巧梭 周雪輝

半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡研究

師小波 李浩宇 陳慧寧 王巧梭 周雪輝

本文提出了一種新的均勻照明系統(tǒng)，它由一個半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡和復(fù)眼透鏡陣列組成。通過光學(xué)工程軟件Light Tools對其進(jìn)行仿真模擬，得到輸出照度圖和坎德拉圖。為后續(xù)設(shè)計提供支持。

在微投影儀照明系統(tǒng)設(shè)計中，為了提高光能利用率，通常需要利用光學(xué)器件如反光鏡對出射光線進(jìn)行光束整形。本文提出了半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡和復(fù)眼透鏡陣列組成的微投影儀照明系統(tǒng)，并用Light Tools對其進(jìn)行仿真模擬。

原理

圖1　半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復(fù)眼透鏡陣列組合

在傳統(tǒng)的微投影儀照明系統(tǒng)中常用的反光鏡有橢球反光鏡、拋物線反光鏡、雙橢球面反光鏡。通過對上述反光鏡的性質(zhì)及工作原理的分析，論文提出了一種新型反光鏡——半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡，并與復(fù)眼透鏡陣列組合，從而提高照明系統(tǒng)的光能利用率，改善光斑的均勻性。其工作原理是利用旋轉(zhuǎn)拋物面的性質(zhì)，光線從焦點射出經(jīng)半旋轉(zhuǎn)拋物面反射后變?yōu)槠叫泄饩€，再經(jīng)過復(fù)眼透鏡折射，從而得到大小滿足要求、均勻性較好的光斑。為了提高照明系統(tǒng)的光能利用率，在旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的正下方安放一個半球型的反光鏡，半球反光鏡的球心與半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的焦點重合。通過對仿真結(jié)果的分析得到，在滿足光能利用率和均勻性的前提下，該半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡能夠適用于1.3～1.7cm的光調(diào)制器。

其原理如圖1所示。

仿真

將光源放置在半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的焦點處，選取半球反光鏡時要與半旋轉(zhuǎn)拋物面相匹配，在理論上可以使光線全部反射。從光源發(fā)出的光線一部分被拋物面直接反射，一部分先由半球面反射再由拋物面反射。這樣從半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡出射的光線均為平行光線。將復(fù)眼透鏡陣列組合放置在光線的出射端，該陣列組合為兩排復(fù)眼透鏡。復(fù)眼透鏡的尺寸要與半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的尺寸相匹配，保證出射光線全部照射在復(fù)眼透鏡上。這樣的設(shè)計既能保證照明系統(tǒng)的一倍成像，又能降低光學(xué)器件的制作難度和加工成本。

在各種參數(shù)（如光源弧長、發(fā)光體的空間位置、角度）均與傳統(tǒng)反光鏡相同的情況下，利用光線追跡軟件Light Tools對半球-半拋物面反光鏡和復(fù)眼透鏡陣列進(jìn)行仿真模擬，得出照度圖和坎德拉圖。

圖2　一維照度圖

圖3　三維照度圖

圖4　一維坎德拉圖

照度圖輸出為圖2和圖3所示?？驳吕瓐D為圖4和圖5所示。

通過對上述方案進(jìn)行理論設(shè)計和仿真模擬可以得出，該方案基本達(dá)到了微投影儀照明系統(tǒng)的設(shè)計要求。

文中所提方案有以下特點：首先利用光線的反射原理采集光線，這樣既可以縮短光學(xué)器件的尺寸，更容易實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化；又可以減少光能損失。其次，采用半球—半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復(fù)眼透鏡陣列組合，保證了該系統(tǒng)具有較高的均勻性與光能利用率。與傳統(tǒng)的橢球反光鏡、拋物線反光鏡、雙橢球面反光鏡相比，該系統(tǒng)的光能利用率顯著提高。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種新型微投影儀照明系統(tǒng)技術(shù)方案——半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復(fù)眼透鏡陣列相組合的方案，利用光線追跡軟件Light Tools對模型進(jìn)行了仿真分析，得到了照明系統(tǒng)的一維和三維照度圖以及一維和三維坎德拉圖。通過與傳統(tǒng)反光鏡相比較，半球-半旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡與復(fù)眼透鏡陣列相組合的方案的光能利用率和均勻度均有較大的提升。為后續(xù)研究提供了技術(shù)支持。另外，文中將光源視為理想光源，忽略了光源的實際大小，這也是后續(xù)研究需要解決的問題。

圖5　三維坎德拉圖

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.003